雷达物位计软件算法说明Word格式文档下载.docx

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布莱克曼窗的w[N]表示如下：

wn=0.42-0.5cos2πnN+0.08cos4πnN（0≤n<

N）（1-3）

1.3.信号补零

将N（N=1199）点的数组x[N]扩展成M（M=4096）点的数组y[M]：

yn=xn（0≤n<

N）0（N≤n<

M）（1-4）

1.4.FFT运算

对M点的数组y[M]进行实数快速傅里叶变换并求模，具体算法请参考数字信号处理相关书籍；

TMS320F28335有现成的库函数RFFT_f32（RFFT_F32_STRUCT*）、RFFT_f32_mag（RFFT_F32_STRUCT*）供调用，FFT运算的输出为数组Y[M/2]。

1.5.频谱峰值探测

根据MATLAB信号处理工具箱中PeakFinder的算法思路：

处于两个波谷间且大于波谷一定阈值的点即为波峰；

对应的流程图为：

频谱峰值探测的输出为波峰索引数组。

1.6.回波筛选

有效回波必须满足一定的位置条件和幅值条件。

系统的距离分辨单元为：

∆D=C2B*11994096（1-5）

式中，C—真空中光速

B—扫频带宽

则回波的位置和幅度可以表示为：

D=∆D*i-TCL

A=Y[i]（1-6）

式中，i—波峰索引

TCL—TCL长度

1）位置条件

有效回波位置必须处于盲区和罐底之间，将处于该范围之外的回波剔除。

2）幅值条件

有两种幅值条件：

统一阈值、ATP阈值。

统一阈值是将峰值小于某阈值的回波剔除；

ATP阈值是由位置——阈值构成的一条折线，将峰值处于折线下方的回波剔除。

回波筛选的输出为回波索引数组。

1.7.谱估计

对回波索引数组中的每一个回波D，Yi,根据该回波前后各1个点D-∆D，Yi-1、D+∆D，Yi+1的值，利用二次曲线拟合法估算回波的真实位置为：

D0=D+Yi-1-Yi+12Yi-1+Yi+1-2Yi*∆D（1-7）

回波的幅度为：

A0=D0-DD0-D-∆DYi-1-2D0-D-∆DD0-D+∆DYi+D0-DD0-D+∆DYi+12∆D2（1-8）

1.8.回波跟踪

如果选择首回波算法，则回波跟踪过程可以用如下状态机表示：

如果选择回波搜索算法，则回波跟踪过程可以用如下状态机表示：

回波跟踪的输出为液面状态、位置和幅度。

1.9.滤波处理

有三种滤波方法：

跳跃滤波、阻尼、最小二乘法滤波；

其中阻尼不能和最小二乘法滤波同时使用，但跳跃滤波能和阻尼或最小二乘法滤波同时使用。

1）跳跃滤波

跳跃滤波用于减少液面的大幅度快速抖动，跳跃滤波用到两个参数：

跳跃滤波阈值JFilt_Thresh、跳跃滤波延迟JFilt_Delay，其算法思路如下：

i.如果当前液位与前一时刻液位输出值相距大于JFilt_Thresh，跳跃滤波计数器累加；

否则跳跃滤波计数器清零,用当前液位值作为当前时刻的输出。

ii.如果跳跃滤波计数器大于JFilt_Delay，用当前液位值作为当前时刻的输出；

否则用前一时刻液位输出值作为当前时刻的输出。

2）阻尼

阻尼用距离滤波因子来度量，施加阻尼后系统的输出为：

Dn'

=Dn-1'

+Dn-Dn-1'

*DistFiltFactor（1-9）

式中，Dn'

—当前时间输出值

Dn-1'

—前一时刻的输出值

Dn—当前时刻的测量值

DistFiltFactor—距离滤波因子

距离滤波因子和阻尼时间常数之间可用如下关系式表示：

DistFiltFactor=1-e-∆TT（1-10）

式中，T—时间常数，单位为s

∆T—液位计算的时间间隔（0.1s）

3）最小二乘法滤波

最小二乘法滤波用于快速跟踪液位的变化，其算法步骤如下：

iii.利用前N（N=10）个时刻的输出值D'

0、D'

∆T、D'

2∆T、…、D'

N-1∆T，根据最小二乘法，拟合一条输出随时间变化的直线：

D'

'

t=a+b*t（1-11）

iv.利用拟合直线，计算当前时刻的预测值：

N∆T=a+b*N∆T（1-12）

v.根据当前时刻的预测值和测量值，计算当前时刻的输出值：

D'

N∆T=D'

N∆T+DN∆T-D'

N∆T*DistFiltFactor（1-13）

式中，DN∆T—当前时刻的测量值。

注：

最小二乘法线性拟合见附录A。

2.液位计算

以用户定义的液位零点为参考点，计算出的液位值为：

Level=TankHeight_R-Flange_D-OffsetDist_G+CalibrationLevel+LevelOffset（2-1）

式中，TankHeight_R—储罐高度

Flange_D—上一步计算出来的法兰距离

OffsetDist_G—距离偏移量

CalibrationLevel—液位校准值

LevelOffset—液位修正量

3.距离计算

以用户定义的距离零点为参考点，计算出的距离值为：

Ullage=Flange_D+OffsetDist_G-CalibrationLevel+UllageOffset（3-1）

式中，UllageOffset—距离修正量

4.体积计算

有4种体积计算方法：

插值法、理想球罐法、理想垂直圆柱罐法、理想水平圆柱罐法。

1）插值法

使用拉格朗日插值法进行体积计算；

假设体积插值表可表示为L0，V0、L1，V1、…、LN-1，VN-1，并且满足L0<

L1<

…<

LN-1、V0<

V1<

VN-1；

首先将液位转换为以插值表参考零点为基准：

Level_V=TankHeight_R-Flange_D-OffsetDist_G+CalibrationLevel+LevelOffs（4-1）

式中，LevelOffs—插值表液位偏移量

①线性插值

寻找点Li，Vi、Li+1，Vi+1，使得Li≤Level_V<

Li+1，使用下式计算体积值：

V'

=Level_V-Li+1Li-Li+1*Vi+Level_V-LiLi+1-LiVi+1（4-2）

如果Level_V<

L0，用L0，V0、L1，V1进行计算；

如果Level_V≥LN-1，用LN-2，VN-2、LN-1，VN-1计算。

②二次曲线插值法

V'

=Level_V-Li+1Level_V-Li+2Li-Li+1Li-Li+2*Vi

+Level_V-LiLevel_V-Li+2Li+1-LiLi+1-Li+2*Vi+1

+Level_V-LiLevel_V-Li+1Li+2-LiLi+2-Li+1*Vi+2（4-3）

如果Level_V<

L0，用L0，V0、L1，V1、L2，V2计算；

如果Level_V≥LN-2，用LN-3，VN-3、LN-2，VN-2、LN-1，VN-1计算。

插值法的体积输出值为：

Volume=V'

+VolumeOffs（4-4）

式中，VolumeOffs—体积修正量

2）理想球罐法

Level_V=TankHeight_R-Flange_D-OffsetDist_G+CalibrationLevel+ZeroLevelToBottom

Volume=16π3L1-2Level_V*Level_V2+VolumeOffs（4-5）

式中，ZeroLevelToBottom—液位零点到罐底的距离

L1—球罐直径

3）理想垂直圆柱罐法

Volume=14πL12*Level_V+VolumeOffs（4-6）

式中，L1—圆柱体直径

4）理想水平圆柱罐法

Volume=14atan2L12-L1-2Level_V2，L1-2Level_V*L12

-14L1-2Level_V*L12-L1-2Level_V2

+VolumeOffs（4-7）

式中，L1—圆柱体直径

L2—圆柱体高度

5.液位速率计算

液位速率由下式计算：

LevelRate=Level_V-Level_V'

∆T（5-1）

式中，Level_V'

—上一时刻的液位值

∆T—液位计算的时间间隔（0.1s）

附录A最小二乘法线性拟合

最小二乘法线性拟合就是将一组符合Y=a+bX关系的测量数据，用计算的方法求出最佳的a和b。

假设直线方程的表达式为：

要根据测量数据求出最佳的a和b。

对满足线性关系的一组等精度测量数据（xi，yi），假定自变量xi的误差可以忽略，则在同一xi下，测量点yi和直线上的点a+bxi的偏差d